基于RFID技術(shù)的門禁系統(tǒng)研究

劉 勇，陳祈邦，巫輝東

（北京理工大學(xué) 珠海學(xué)院，廣東 珠海 519088）

隨著無線射頻技術(shù)的快速發(fā)展，無線射頻技術(shù)因其具有獨特的優(yōu)越性在日常的生活中作為安全防范領(lǐng)域中得到了飛速的發(fā)展和較廣泛的應(yīng)用[1]。射頻無線技術(shù)作為安防領(lǐng)域中的門禁系統(tǒng)之所以能在眾多安防產(chǎn)品中脫穎而出，根本原因在于它與傳統(tǒng)的安防產(chǎn)品相比有較大的改變，將被動的安防方式變?yōu)榱酥鲃涌刂品绞?。同時該門禁系統(tǒng)支持密碼校驗和認證，對ID卡的識別過程無須人為干預(yù)，同時它既支持對ID卡的讀工作模式也支持卡的讀寫工作模式；這種ID卡即使在惡劣環(huán)境下的環(huán)境下也可以正常工作在，識別速度快數(shù)據(jù)容量大，ID卡標簽數(shù)據(jù)較為唯一，如同身份證般，卡在出廠時就已經(jīng)制作號，無須再修改，隱密性高，具有更好的安全性。

1 射頻識別技術(shù)原理及主要特點

無線射頻識別技術(shù)[2]是從二十世紀90年代興起的一項非接觸式自動識別技術(shù)。它的基本識別原理是利用射頻無線方式進行非接觸雙向通信，從而達到自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息，同時它具有抗干擾強、適應(yīng)環(huán)境能力強、精度高、操作快捷等許多優(yōu)點。

1.1 工作原理

本系統(tǒng)中的非接觸式門禁讀卡基站是以射頻識別技術(shù)為核心，這種基站是一個體積小、重量輕、操作距離最大可達10 cm的ID卡射頻基站[3]。當門禁讀卡基站工作時，它與專用的射頻基站（MFRC-522）相連的線圈天線不斷地四周發(fā)送一組固定頻率的電磁波（13.56 M），當有非接觸式ID卡靠近時，此時激發(fā)的頻率可以與卡片內(nèi)存儲一組固定的LC串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生共振，當該共振頻率與讀寫基站發(fā)射出來頻率相同時，由共振原理得知，通過共振從而激發(fā)電荷產(chǎn)生電荷量并將已經(jīng)存儲好的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，并通過射頻基站解碼從而獲得卡號。而ID卡的原理是當接收到有由射頻基站發(fā)出的頻率后，卡內(nèi)置的電容處于激發(fā)充電狀態(tài)從而產(chǎn)生了激發(fā)電荷，在該電容另一端，同時接有一個具有單向?qū)щ娦缘碾娮颖茫撾娮颖每梢詫⒓ぐl(fā)電容內(nèi)的電荷送到另一個未激發(fā)電容內(nèi)進行電荷存儲。當存儲電容的電荷量達到2 V時，此存儲電容就可以作為卡上電源為其他電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去。在該門禁系統(tǒng)中，當有ID卡進入射頻基站的天線發(fā)送頻率的感應(yīng)區(qū)內(nèi)時，門禁讀卡基站就會讀取非接觸式ID卡的卡號，并將所讀卡號通過串口發(fā)送給微處理器，并在顯示屏上顯示服務(wù)信息，同時進入密碼校驗服務(wù)程序，當密碼校驗正確后啟動門鎖，若密碼校驗錯誤超過三次以上，將給予警告處理。當門禁讀卡基站天線未檢測到ID卡時，微處理器將進入閑時模式，讀實時鐘電路的時鐘信息，并在顯示屏上顯示當前日期和時間。

典型的射頻識別系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：微控制器、ID卡和射頻基站，其工作原理如圖1所示。

圖1 非接觸式射頻讀卡的工作原理Fig.1 The work principle of contactless RF card

1.2 主要特點

和傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)相比，有以下智能化特點：

1）射頻識別卡片小且重量輕，攜帶方便，射頻基站可以在10 cm左右的范圍內(nèi)可以實現(xiàn)對卡號的識別與讀寫；

2）ID卡片制作封閉，具有良好的防灰塵、防水、防污損性能；

3）在操作過程中不需要和門鎖接觸，減少了機械磨損；

4）射頻無線信號的穿透能力強，可生活中的穿障礙物，卡號數(shù)據(jù)量傳輸小，易于讀?。?/p>

5）ID卡較IC卡內(nèi)序列號就像身份證一樣，具有惟一的，生產(chǎn)商在卡出廠前已將此序號固化，安全性高；

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個門禁系統(tǒng)的設(shè)計方案是采用無線射頻識別技術(shù)（RFID），匙鑰是采用質(zhì)量體積輕巧的ID卡作為門禁卡，控制單元采用價廉、穩(wěn)定性高、技術(shù)比較成熟的單片機作為系統(tǒng)的控制核心，同時為了增高門禁的防盜系數(shù)，本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的射頻門禁系統(tǒng)方案中增加了密碼校驗功能，進行讀卡密鑰雙校驗，另外增加顯示屏作為人機交互界面，同時增加語音提示功能和時鐘源作為閑時的時間顯示功能，本系統(tǒng)整個操作過程如同日常生活中銀行ATM操作流程一樣[4]。具體的操作設(shè)計流程如下：當匙鑰ID卡靠近控制器的讀寫器基站時，讀寫器基站可以準確地對其進行卡號識別并讀取后，并將其序列卡號通過串口數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器上的微處理器，然后微處理器通過中斷服務(wù)程序調(diào)用數(shù)據(jù)庫信息與該卡號對應(yīng)的用戶信息進行匹配，如果該卡號已進行過信息注冊為用戶后，則通過卡號驗證并通知微處理器校驗成功，然后語音提示正確并同時提示用戶進行密碼輸入鍵盤校驗，若密碼校驗成功則觸發(fā)門鎖控制啟動開門；若讀卡失敗或卡號信息與數(shù)據(jù)庫中注冊的信息不匹配并且刷卡次數(shù)超過三次，則語音會給予警告提示；若卡號校驗成功，但密碼校驗不通過且密碼輸入次數(shù)超過三次，則啟動報警裝置禁止通行并告知持卡人迅速離開；若在兩種密碼校驗都失敗后，則啟動超聲波檢測裝置來檢測當前操作的人是否還在警報狀態(tài)下仍在超聲波檢測范圍內(nèi)；同時，在系統(tǒng)閑時會通過時鐘電路讀取當前時鐘信號顯示此時時間。

整個系統(tǒng)概要組成由ID卡、讀寫基站、鍵盤矩陣和微處理器及時鐘電路五部分組成。微處理器是系統(tǒng)的控制核心，而讀寫基站通過無線射頻技術(shù)與ID卡進行無線通信，從而完成卡號的讀取和數(shù)據(jù)的發(fā)送，當通過串口發(fā)送，微處理器收到通信數(shù)據(jù)后，與數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)注冊的卡號信息校驗，若成功后啟動鍵盤密碼校驗功能，通過雙重安全校驗都成功后，控制端作出相應(yīng)的反應(yīng)，從而實現(xiàn)整個工作流程。

2.2 硬件組成

門禁系統(tǒng)的讀卡器基站相當于一個智能的節(jié)點，它能獨立完成門狀態(tài)和鎖狀態(tài)的監(jiān)控、判斷卡類型、實時監(jiān)控刷卡動作、控制電磁門鎖和報警器等一系列的操作[5]。整個門禁系統(tǒng)的硬件部分主要包括負責(zé)控制和監(jiān)控識別部分的微處理器、射頻基站電路、時鐘電路、報警裝置（聲光報警電路）、超聲波檢測電路、復(fù)位電路、按鍵矩陣電路。電路的硬件框圖如圖2所示?？刂茊卧捎玫氖荢TC公司STC12C5A60S2單片機作為控制單元，這款單片機是常用的MCS-51系列單片機的增強版本，它具有良好的低功耗、抗干擾和性價比高的特點，同時在同樣的晶振的情況下，較普通的MCS-51主頻處理速度8到12倍，片上集成了1280字節(jié)的RAM，有8路10位高精度的AD采集通道，具有4個16位定時器，較普通8051增加了兩個定時器、兩路PWM功能、兩個標準的串行通信口，并具有P4口，支持ISP程序下載，并且與傳統(tǒng)8051單片機兼容；超聲波模塊采取HC-SR04，該模塊性能穩(wěn)定，測距精度高，檢測盲區(qū)較小，編程操作較為簡單；顯示屏采用LCD1602作為人機交互屏，該顯示屏低功耗、重量體積輕巧、顯示內(nèi)容豐富；鍵盤采用8x8的矩陣按鍵；時鐘電路采用DS1302作為實時時鐘電路，它高性能、低功耗，同時自帶RAM作為實時時鐘，同時對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，具有閏年自校正功能；射頻基站采用市場上用的較為普遍的MFRC-522，該射頻模塊集成了編碼解調(diào)和解調(diào)編碼的收發(fā)功能，對ID卡的數(shù)據(jù)讀取有效距離最遠可以10cm，同時集成了并行和串行端口的控制電路，可以自動檢測與之相連的外部微控制器的端口類型，具有64字節(jié)的FIFO緩沖寄存器，用來與微處理器之間的數(shù)據(jù)流的輸入和輸出。

整個門禁系統(tǒng)的硬件電路較為簡潔，輔助電路較少，每個模塊響應(yīng)單元較為獨立，這可以提高系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性；同時在器件選擇上都是技術(shù)、性能較為成熟的模塊電路，該門禁系統(tǒng)硬件價格低、功耗低、穩(wěn)定性高、安全度高、易于市場推廣等特點[6]。

2.3 軟件設(shè)計

門禁控制單元的程序包括:門禁控制單元對門的檢測和鎖狀態(tài)監(jiān)控程序、MFRC-522射頻基站與ID卡的通信程序、微處理器與MFRC-522串行通信過程、門禁號信息與數(shù)據(jù)庫注冊的信息校驗及中斷服務(wù)程序、鍵盤密碼校驗中斷服務(wù)程序、時鐘電路的讀寫及LCD顯示程序等。主程序流程圖如圖3所示。

圖2 門禁讀卡器系統(tǒng)組成Fig.2 Access control card reader system components

圖3 主程序流程Fig.3 The main program flow

門禁系統(tǒng)的設(shè)計采取C語言作為編程語言，Keil uVision4作為程序編寫、調(diào)試、編譯、鏈接、生成機器代碼的編程軟件，通過stc-isp進行硬件串口調(diào)試。

3 結(jié)束語

目前，隨著射頻技術(shù)的快速成熟與發(fā)展，基于射頻技術(shù)的安防領(lǐng)域的分支也得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域從高安保的銀行、公司走向家庭等場合，呈現(xiàn)一種大眾化趨勢[7]。該門禁系統(tǒng)結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)和報警系統(tǒng)從而實現(xiàn)現(xiàn)代安防領(lǐng)域從非智能化走向智能化的一個過渡，也加強了門禁的安全性。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是以射頻識別技術(shù)為核心，將傳統(tǒng)的門禁、報警等有機地結(jié)合在一起，從而實現(xiàn)了人機操作、報警、實時監(jiān)控等智能化。

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[2]張軍鵬.IC卡門禁系統(tǒng)設(shè)計及分析[J].裝備制造技術(shù)，2010（5）:91-92.ZHANG Jun-peng.Design and analysis of IC card access control system[J].Equipment Manufacturing Technology，2010（5）:91-92.

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